现场扫描结合BIM技术在工程实施中的应用

2014-2-6 18:52| 发布者: admin| 查看: 778| 评论: 36|原作者: admin

摘要: 李亚东，吴天华, 郎灏川(上海建科工程咨询有限公司，上海，200032) 摘要：本文首先将目前常见的2种现场扫描技术，即三维激光扫描、全景扫描2种方式进行对比分析，从而提出适合于BIM工程实施的现场扫描方式。本文分 ...

李亚东，吴天华, 郎灏川(上海建科工程咨询有限公司，上海，200032)

摘要：本文首先将目前常见的2种现场扫描技术，即三维激光扫描、全景扫描2种方式进行对比分析，从而提出适合于BIM工程实施的现场扫描方式。本文分别对两种扫描方式在工程中的应用提出了实施方案，结合案例对扫描的应用效果进行分析总结。

关键词：三维激光扫描、全景扫描、BIM实施

近年来工程信息化不断发展，3D建筑建模的技术越来越成熟。尤其是随着建筑信息模型(BIM)技术的提出，3D建筑模型中又能够被赋予诸如进度、投资等信息，形成4D乃至5D的BIM模型。换言之，BIM技术的推广，使得建筑图纸更加直观，具有了生命。但是在工程实施阶段，如何能够将BIM模型利用于现场管理和推进，就需要有效的手段作为辅助。

基于这样的背景，扫描技术能够成为有效连接BIM模型和工程现场的纽带。它能够有效地、完整地记录下工程现场复杂的情况。本文将通过2种扫描技术的对比，提出该技术应用于BIM工程实施的一些探索思考。

1 现场扫描技术概况介绍

随着信息技术和测量技术的不断发展，目前开始逐步应用于工程领域的主要有2种扫描方式，即三维激光扫描和全景扫描。

1.1 三维激光扫描定义

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。

1.2 全景扫描定义

全景扫描是通过用成像设备(目前通常采用高像素数码相机)采集一系列图像序列，再经过软件对图像进行匹配拼接，最后融合成一张显示全部图像内容的“超级图像”，可以视这个“超级图像”为全景。“超级图像”含测量数据及坐标数据，可直接与BIM模型、其他同视角“超级图像”进行对比。

1.3 扫描技术简略对比

表1 三维激光扫描与全景扫描方式简要对比

Table 1 Contrast between 3D laser scanning and panoramic canning

对比项目	三维激光扫描	全景扫描
技术原理	点云实景复制	像素测量、全景拼接
扫描精度	2mm	无法体现精度
软硬件需求	高精度激光扫描仪	单反相机、便携移动终端
输出模式	空间点云数据	全景照片、视频
与BIM模型交互方式	半自动转换BIM模型	无法转换BIM模型
与CAD模型对比	可以与CAD模型进行比对	不能与CAD模型进行比对
扫描仪器投入	激光扫描仪130万元/台	单反数码相机2万元/台
扫描环境要求	环境要求较高，需清场	视野内需无人
数据处理时间（数据量）	较长（数据量大）	实时（数据量小）
数据处理结果浏览方式	可转换dwg格式等，与navisworks兼容	自带软件浏览

由表1可以看出，两种扫描技术各自具有鲜明的特点，主要综述如下：

(1) 三维激光扫描的优势主要在其扫描精度以及与BIM模型的便捷比对。在理想的扫描条件下，其扫描精度可达到2mm，基本能够与全站仪等工程测量仪器精度相比。同时，三维激光扫描仪生成的点云数据可以直接转换成为BIM模型；

(2) 全景扫描的优势主要在于其全面、直观、便捷的输出方式，以及相对于三维激光扫描的低成本投入。

　　2 现场扫描结合BIM技术的实施要点
　　2.1 传统模式下工程现场的关注重点
　　在传统的工程实施中，现场工程师通常采用测量、记录、统计、对照对比等技术手段，对工程现场信息进行采集、记录和统计分析。工程现场的日常工作关注重点主要包括：
　　(1) 实测实量：工程实体施工的过程检查、验收等过程，包含大量地实测实量要求，通常采用全站仪、水准仪、经纬仪、尺等专业仪器进行测量。生成的记录则作为判定工程质量、或是进入到下一道工序的依据。
　　(2) 材料设备管理：记录工程材料(原材料、半成品、成品)和设备的现场外观检测及取样复试等情况、性能指标数据、品牌型号等关键信息。此外，鉴于材料设备质量对工程整体质量的影响，检测送检的合格情况也是需要控制的关键内容；
　　(3) 现场管理：对于现场的各种情况，必须有完整的记录管理，如材料进场和使用、各专业队伍之间的工作面移交、现场形象进度等内容；
　　(4) 其他信息管理：诸如设计变更文件、施工方案等技术文件审核、分包单位资质审核及管理、作业人员、动火审批等管理文件内容。
　　2.2 扫描技术对于工程实施的应用要点
　　当扫描技术与BIM技术进入我们视野的时候，它们给现场带来最大的便利即是工程信息数据的整合管理，主要可以包含于以下4方面功能。
　　(1) 两种扫描方式的数据采集
　　三维激光扫描技术无疑是实测实量数据采集的有效方式。在保证扫描精度的前提下，通过扫描的方式，可以对选定的工程部位进行完整、客观地采集。
　　全景扫描技术的数据采集主要体现在现场工作的记录方面。虽然无法体现精度的要求，但可以反映一切与检查验收相关的相关信息，例如：检查验收的时间、部位、表观质量、形象进度等。
　　(2) 三维激光扫描的数据应用
　　三维激光扫描生成的点云数据，经过专业软件处理，即可转换为BIM模型数据，进而可立即与设计的CAD模型、BAM模型进行精度对比，寻找施工现场与设计模型的不同点。
　　(3) 全景扫描的数据应用
　　在全景扫描所生成的现场全景图中，能够通过外部信息导入(例如：手动输入、外部设备输入、数据库转录等)方式，汇总现场工作需要的各项关键信息。
　　(4) 统一的数据管理方式
　　经过数据的采集与转换后，现场情况可以很完整的以BIM模型、点云模型或全景的形式在统一集成的信息平台中整合，并根据现场工程师需要开展相关管理工作。
　　表2 两种扫描方式的应用要点
　　Table 2 Application points of the two scanning methods
　　
　　3.3 三维激光扫描应用范围
　　(1) 重点部位扫描
　　利用三维激光扫描高精度的特点，在现场(全景扫描的工况范围内)选定关键的检查验收部位进行扫描实测。在本工程中，选定了外幕墙钢支撑环梁结构进行实测，检查环梁安装精度。
　　(2) 与BIM模型比对
　　扫描完成后，经过软件处理生成点云模型，将其与BIM模型、以及现场全站仪实测数据进行对比，得到三者之间的精度差别(图2)。
　　

　　图2 三维激光扫描模型对比图
　　Fig.2 Comparison picture of 3D laser model
　　3.4 信息管理
　　(1) 工作信息记录
　　为便于现场工作信息的录入，可以采用移动终端(ipad)的录入方式。在移动设备中预装信息处理软件，现场工作人员只需正常开展检查验收工作，将记录信息录入到终端设备，设备能够自动根据信息和程序，生成检查记录表式，并将信息上传至服务器中。
　　(2) 工作信息与模型的结合
　　基于两类扫描数据的基础上，将日常管理工作与模型相结合。现场管理人员可以将各阶段现场信息集中录入，通过数据管理和处理可以反映到全景模型中进行直观地展示(图3)。
　　

　　图3 全景模型中的信息记录和展示
　　Fig. 3 Information recorded and showed in the panoramic model
　　(3) 数据库管理
　　建立专用的数据库，将扫描模型以及过程中产生的工作数据集中进行管理。
　　4 应用效果分析评价
　　4.1 三维激光扫描
　　经过现场扫描对比，在对同一部位的排除扫描环境干扰的情况下，三维激光扫描能达到较高的扫描精准度：对比Leica1201+全站仪的测量值，偏差在4--9mm之间。在精准度符合标准的前提下，三维激光扫描所诞生的点云数据模型，能很好的与平面设计模型(即CAD模型)做对比，(也可与BIM模型在Qualify软件内进行对比)，检查之间的偏差，用以确认工程情况，为验收工作提供良好的客观数据。
　4.2 全景扫描

全景相机扫描在扫描过程中，展现出良好的即时性(即时输入、即时输出)，所以在扫描处理方面，能给予现场工程验收人员最快捷的帮助。对于全景相机扫描所输出的全景图像，结合BIM的设计模型，能够很流畅的进行交互式对比，即视角转到哪里，模型也能同步。另外全景相机扫描附带的测量功能，经过反复的比对，其偏差值在5~10mm之内，虽谈不上十分精准，但对于部分无法到达的地方或够不着的地方可以进行简易测量。最后测试的标签功能则能很实用很形象的将现场验收所得的情况、数据等完整记录在案，并且也可方便现场工程人员翻阅、寻找零部件、墙柱的材料等数据。

表4 两种扫描方式的应用效果对比

Table 4 Contrast of application effort between two scanning methods

	三维激光扫描	全景扫描
优点	记录现场数据以及三维结构高精度和准确的建造进度数据报告冲撞检测	让业主对施工现场有直观的了解加强项目管理方进度管理的成效增添监理数字化监督管理工具
缺点	扫描仪器过于笨重对现场扫描环境要求高数据处理较慢(对比全景相机扫描)	远景精准度偏低(对比三维激光扫描) 无法很完整很全面记录所有角落无法与模型做全面对比

4.3 扫描方式于施工现场的应用优点

扫描技术对于工程现场最大的好处在于优化现场人员的工作方式：

(1) 精简现场人员的现场工作——只需在现场进行扫描工作，对比偏差与测量可在后台完成；

(2) 方便监理员在现场的测量工作——可利用像素测量、点云测量技术，完成一些费力的高危险的地区测量；

(3) 降低监理员的工作量——直接可以在图像上标示，而无需再纸上进行记录；也可直接让扫描结果与设计模型进行对比偏差，而无需先测量、后对照图纸、最后确认偏差；

(4) 完善监理员的沟通方式——可以直接用直观的利用图像、视频甚至转换后的模型与施工方进行沟通。

5 结论与展望

二种扫描方式如果要说全面替代现在的监理工作方式，还为时过早，但二种扫描方式作为BIM对于现场管理工作的切入点来说，是很合时宜的。基于BIM的工作方式，会在未来逐渐取代繁琐的传统图纸、卷尺打天下的境遇。挖掘扫描的深度优势，利用扫描所得的处理结果管理人员可以将零零碎碎的琐事，整合为系统的一站式操作，做到真正的化繁为简。

参考文献：

《那个叫BIM的东西》何关培 P.200 2011年北京中国建筑工业出版社

《中国建筑信息模型标准框架研究》清华大学BIM课题组 2011年北京中国建筑工业出版社

《BIM的突破致胜之路》来源：《建筑时报》发布时间：2012

《3D激光测量技术的发展及其应用》来源：《3D动力》发布时间：2012-01-17;

作者简介：李亚东，上海建科工程咨询有限公司副总经理，国家注册监理工程师，上海市宛平南路75号6楼，200032，电话：021-68885150，Email: yadonglee@jkec.com.cn